面向排风扇的电磁-摩擦电混合纳米发电机：实现转速传感与自供能环境监测

本文提出了一种创新的电磁-摩擦电混合纳米发电机（EM-TENG），通过同轴结构设计集成摩擦发电（TENG）与电磁发电（EMG）模块，可高效收集排风扇的旋转机械能（REH），其峰值功率密度高达318.88 W/m3。该装置不仅能将机械能转化为电能驱动多种电子设备，实现自供能环境监测，还能通过TENG模块的输出电压特征频率精确感知风扇转速，为工业与民用通风系统的智能运维提供了紧凑可靠的解决方案。

　　

结构、工作原理与EM-TENG的原型制作

图1(a)展示了混合EM-TENG应用于运行中的排风扇的场景。单个EM-TENG通过联轴器连接到排风扇，并通过周边螺栓固定在风扇支架上。当排风扇稳定运行时，其旋转可通过联轴器驱动EM-TENG旋转，进行旋转能量收集（REH）。随后，EM-TENG能够将排风扇的旋转能转化为电能，为通风系统中常见的一系列传感器组件供电。

TENG模块的输出性能

影响TENG模块输出性能的主要因素包括摩擦电材料类型、摩擦电层厚度、PTFE叶片数量、电极对数量以及转子-定子距离。TENG的开路电压（V_OC）和短路电流（I_SC）可通过理论公式计算。

混合EM-TENG的发电性能与应用演示

基于上述EM-TENG的输出性能，计算得出其最大峰值功率密度高达318.88 W/m3；功率密度是通过功率除以总体积（即容纳内部功能部件的所有空腔体积之和）来计算的。如图12所示，与先前基于REH的混合摩擦电-电磁发电机的代表性研究相比，本研究展示了卓越的性能。

结论

在本研究中，提出并开发了一种采用同轴配置的混合EM-TENG，用于收集排风扇的旋转能并将这种形式的机械能转化为电能。对TENG和EMG模块以及混合EM-TENG的输出和充电性能进行了实验表征和优化，显示出卓越的峰值功率密度，高达318.88 W/m3。同时，发现TENG模块可以作为一个精确的转速传感器。